材料科學(xué)導(dǎo)論第三章 陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)1

1、第三章第三章 陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)3.1 離子（陶瓷）晶體中正、負(fù)離子的堆積方式離子（陶瓷）晶體中正、負(fù)離子的堆積方式 3.2 簡(jiǎn)單氧化物的晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單氧化物的晶體結(jié)構(gòu) 3.3 比較復(fù)雜氧化物的晶體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜氧化物的晶體結(jié)構(gòu) 3.4 硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu) 3.5 二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)1.1.屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，主要由金屬元素與非金屬元素通過(guò)離子鍵或兼屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，主要由金屬元素與非金屬元素通過(guò)離子鍵或兼有離子鍵和共價(jià)鍵的方式結(jié)合起來(lái)。陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)可以看成是有離子鍵和共價(jià)鍵的方式結(jié)合起來(lái)。陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)可以看成是由帶電的離子而不是原子構(gòu)成的。

2、由帶電的離子而不是原子構(gòu)成的。2.2.陶瓷材料的成分是多樣化的，從簡(jiǎn)單的化合物到由多種復(fù)雜的化合物陶瓷材料的成分是多樣化的，從簡(jiǎn)單的化合物到由多種復(fù)雜的化合物構(gòu)成的混合物。構(gòu)成的混合物。3.3.陶瓷材料晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于陶瓷材料至少由兩種元素構(gòu)成，通常比陶瓷材料晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于陶瓷材料至少由兩種元素構(gòu)成，通常比純金屬的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。純金屬的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論3.1 離子（陶瓷）晶體中正、負(fù)離子的堆積方式離子（陶瓷）晶體中正、負(fù)離子的堆積方式一、陶瓷材料的特點(diǎn)一、陶瓷材料的特點(diǎn)1.正、負(fù)離子的電荷大小正、負(fù)離子的電荷大小 二、正、負(fù)離子的堆積方式取決于以下兩個(gè)因素：二、正、

3、負(fù)離子的堆積方式取決于以下兩個(gè)因素：晶體必須保持電中性，即所有的正離子的正電荷應(yīng)等于所晶體必須保持電中性，即所有的正離子的正電荷應(yīng)等于所有的負(fù)離子的負(fù)電荷。有的負(fù)離子的負(fù)電荷。2.正、負(fù)離子的相對(duì)大小正、負(fù)離子的相對(duì)大小由于正負(fù)離子的外層電子形成閉合的殼層，可以把離子看由于正負(fù)離子的外層電子形成閉合的殼層，可以把離子看成具有一定半徑的剛性圓球。在離子晶體中，一些原子失成具有一定半徑的剛性圓球。在離子晶體中，一些原子失去外層電子而成為正離子，另一些則得到外層電子而成為去外層電子而成為正離子，另一些則得到外層電子而成為負(fù)離子，通常正離子小于負(fù)離子，即負(fù)離子，通常正離子小于負(fù)離子，即1/AcrrrC

4、和和rA代表正，負(fù)離子的半徑代表正，負(fù)離子的半徑 穩(wěn)定穩(wěn)定 穩(wěn)定穩(wěn)定 不穩(wěn)定不穩(wěn)定材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論三三. 離子晶體的密堆積原則離子晶體的密堆積原則 為了降低晶體的總能量，正、負(fù)離子趨于形成盡可能緊密的堆積，即為了降低晶體的總能量，正、負(fù)離子趨于形成盡可能緊密的堆積，即一個(gè)正離子趨于有盡可能多的負(fù)離子為鄰，一個(gè)最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)有一個(gè)正離子趨于有盡可能多的負(fù)離子為鄰，一個(gè)最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)有盡可能大的配位數(shù)，而配位數(shù)又取決于正負(fù)離子半徑的比值。盡可能大的配位數(shù)，而配位數(shù)又取決于正負(fù)離子半徑的比值。1. 離子晶體中穩(wěn)定和不穩(wěn)定的配位圖形離子晶體中穩(wěn)定和不穩(wěn)定的配位圖形結(jié)論：當(dāng)負(fù)離子半徑大于某一

5、臨界值后，中心的正離子就不能與其周?chē)Y(jié)論：當(dāng)負(fù)離子半徑大于某一臨界值后，中心的正離子就不能與其周?chē)呢?fù)離子相切，只有當(dāng)?shù)呢?fù)離子相切，只有當(dāng)rC/rA等于或大于某一臨界值后，某一給定配位數(shù)等于或大于某一臨界值后，某一給定配位數(shù)的結(jié)構(gòu)才是穩(wěn)定的。的結(jié)構(gòu)才是穩(wěn)定的。2. 配位數(shù)與正、負(fù)離子半徑的比值關(guān)系配位數(shù)與正、負(fù)離子半徑的比值關(guān)系注意：上表離子半徑比值從幾何角度考慮的，對(duì)于許多離子晶體很有效；在注意：上表離子半徑比值從幾何角度考慮的，對(duì)于許多離子晶體很有效；在以上的計(jì)算中把離子看成是剛性圓球而實(shí)際上正離子周?chē)呢?fù)離子可以通過(guò)以上的計(jì)算中把離子看成是剛性圓球而實(shí)際上正離子周?chē)呢?fù)離子可以通過(guò)變形使

6、配位數(shù)增大，這在正離子具有高電荷或其周?chē)呢?fù)離子具有高原子序變形使配位數(shù)增大，這在正離子具有高電荷或其周?chē)呢?fù)離子具有高原子序數(shù)，尺寸大且容易變形時(shí)尤其重要。數(shù)，尺寸大且容易變形時(shí)尤其重要。材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論要求要求: : 無(wú)機(jī)非金屬材料典型的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型無(wú)機(jī)非金屬材料典型的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型 晶胞分析和描述晶胞分析和描述晶系、基本格子、晶胞原子晶系、基本格子、晶胞原子數(shù)數(shù)、等同點(diǎn)分析、正負(fù)離子配位數(shù)（等同點(diǎn)分析、正負(fù)離子配位數(shù)（CN ）、）、質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)、四面體和八面體空隙數(shù)量、位置及被占據(jù)情坐標(biāo)、四面體和八面體空隙數(shù)量、位置及被占據(jù)情況況 同晶型典型物質(zhì)及特性同晶型典型物質(zhì)及特性 熟記幾個(gè)

7、典型晶體結(jié)構(gòu)圖熟記幾個(gè)典型晶體結(jié)構(gòu)圖 3.2 簡(jiǎn)單氧化物的晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單氧化物的晶體結(jié)構(gòu)5) 螢石（螢石（CaF2）型結(jié)構(gòu)）型結(jié)構(gòu)6）金紅石（）金紅石（TiO2）型結(jié)構(gòu)）型結(jié)構(gòu)1.AB型化合物結(jié)構(gòu)型化合物結(jié)構(gòu)1）NaCl型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)2）CsCl型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)3）閃鋅礦（立方）閃鋅礦（立方ZnS）型結(jié)構(gòu)）型結(jié)構(gòu)4）纖鋅礦（六方）纖鋅礦（六方ZnS ）型結(jié)構(gòu)）型結(jié)構(gòu)材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論2.AB2型化合物結(jié)構(gòu)型化合物結(jié)構(gòu)礦物名稱(chēng)：石鹽。礦物名稱(chēng)：石鹽。材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論圖3-1 NaCl 晶體結(jié)構(gòu) ClNa - Na+ 離子位于面心格子的結(jié)點(diǎn)位置上，離子位于面心格子的結(jié)

8、點(diǎn)位置上， CI離子也離子也 位于另一套位于另一套這樣的格子上，后一個(gè)格子與前一個(gè)格子相距這樣的格子上，后一個(gè)格子與前一個(gè)格子相距1/2晶棱的位移。晶棱的位移。 （1）立方晶系，面心立方點(diǎn)陣，）立方晶系，面心立方點(diǎn)陣，a0.563nm，Z4（2）rNa+/rCl-=0.525（3）CN+ CN- 6（4）- Cl離子按立方最緊密堆積方式堆積，離子按立方最緊密堆積方式堆積， Na+離子充離子充 填于全部八面填于全部八面體空隙。體空隙。 - Na+ 離子的配位數(shù)是離子的配位數(shù)是6 ，構(gòu)成，構(gòu)成Na-CI八面體。八面體。NaCI 結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)是由Na-CI八面體以共棱的方式相連而成八面體以共棱的方式

9、相連而成材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論結(jié)構(gòu)描述：結(jié)構(gòu)描述：（5）具有）具有NaCl型化合：型化合：MgO, CaO, SrO, BaO, CdO, MnO, FeO, CeO, NiO等及所有的堿金屬鹵化物（等及所有的堿金屬鹵化物（CsCl， CsBr, CsI除外除外)以及堿金以及堿金屬硫化物屬硫化物(1).(1).立方晶系立方晶系，簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣，簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣，a a0 00.411nm0.411nm，Z Z1 1，(2) rCs+/rCl-=0.933(3) CN+=CN-=8(4) ClCl- -處于立方原始格子的八個(gè)角頂上，處于立方原始格子的八個(gè)角頂上，CsCs位于立方體中心。位于立方體中心

10、。離子坐離子坐標(biāo)：標(biāo)：Cs+ ； Cl-0 0 0(5)(5)屬于屬于CsClCsCl型結(jié)構(gòu)的晶體：型結(jié)構(gòu)的晶體：CsBrCsBr、CsICsI、NHNH4 4ClCl等等材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論化化 學(xué)學(xué) 式：式：ZnS材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論（1） 立方晶系，面心立方點(diǎn)陣，立方晶系，面心立方點(diǎn)陣，a0.540nm；Z4（2）理論上，）理論上，rZn2+/rS2-=0.414，CN=6但是但是Zn2+極化作用很強(qiáng)，極化作用很強(qiáng)，S2-極極易變形易變形（3）配位數(shù)降為）配位數(shù)降為 CN=4配位多面體：配位多面體： ZnS4四面體，在空間以共頂四面體，在空間以共頂方式相連接方式相連接材料科學(xué)導(dǎo)論

11、材料科學(xué)導(dǎo)論（4）S2-離子呈立方最緊密堆積，位于面心立方的離子呈立方最緊密堆積，位于面心立方的 結(jié)點(diǎn)位置，結(jié)點(diǎn)位置，Zn2離子交錯(cuò)地分離子交錯(cuò)地分布于布于1/8 小立方體的中心，即小立方體的中心，即1/2 的四面體空隙中。從圖（的四面體空隙中。從圖（b）更容易看出。）更容易看出。結(jié)構(gòu)投影圖結(jié)構(gòu)投影圖：（俯視圖）用標(biāo)高來(lái)表示，（俯視圖）用標(biāo)高來(lái)表示，0底面；底面；251/4；501/2；75 3/4。（。（0100；25125；50150是等效的），這里標(biāo)注的數(shù)字是以是等效的），這里標(biāo)注的數(shù)字是以Z軸晶胞的高度為軸晶胞的高度為100（5）屬于）屬于閃鋅礦閃鋅礦型結(jié)構(gòu)晶體有：型結(jié)構(gòu)晶體有： Si

12、C；GaAs；AlP；InSb等以及高溫下的等以及高溫下的BeO?；瘜W(xué)式：化學(xué)式： ZnS材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論 材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論（1） 六方晶系；六方晶系；a0.382nm；c0.625nm；Z2 ( 2）理論上，理論上，rZn2+/rS2-=0.414，CN=6但是但是Zn2+極化極化作用很強(qiáng)，作用很強(qiáng)，S2-極易變形極易變形（3）配位數(shù)降為配位數(shù)降為 CN=4（4） S2按六方緊密堆積排列，按六方緊密堆積排列，Zn2充填于充填于1/2的四面體空隙，構(gòu)成的四面體空隙，構(gòu)成ZnS4四面體。四面體。質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)：質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)：2 S2： 000；2/3 1/3 1/2 2Zn2：00u ；

13、2/3 1/3 （u1/2） (5）具有纖維鋅礦型結(jié)構(gòu)的氧化物有具有纖維鋅礦型結(jié)構(gòu)的氧化物有BeO,ZnO等等化學(xué)式：化學(xué)式： CaF2 材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論（1）立方晶系，面心立方空間點(diǎn)陣，立方晶系，面心立方空間點(diǎn)陣，a0.545nm，Z4（2）正負(fù)離子數(shù)比為）正負(fù)離子數(shù)比為1：2；Ca2 81/861/24； F 448材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論（3） CN8；CN4（4）Ca2位于立方面心的結(jié)點(diǎn)位置，位于立方面心的結(jié)點(diǎn)位置，F(xiàn)位于立方體內(nèi)八個(gè)小立方體位于立方體內(nèi)八個(gè)小立方體的中心，即的中心，即Ca2按立方緊密堆積的方式排列，按立方緊密堆積的方式排列，F(xiàn)充填于全部四面體充填于全部四面體空

14、隙中，構(gòu)成空隙中，構(gòu)成FCa4四面體，見(jiàn)圖（四面體，見(jiàn)圖（c）。若）。若F-作簡(jiǎn)單立方堆積，作簡(jiǎn)單立方堆積，Ca2+填于立方體空隙中，則構(gòu)成填于立方體空隙中，則構(gòu)成CaF8立方體，立方體之間共棱連接立方體，立方體之間共棱連接，見(jiàn)圖（，見(jiàn)圖（b）。）。（5）屬于螢石結(jié)構(gòu)的晶體有：）屬于螢石結(jié)構(gòu)的晶體有：BaF2；PbF2；CeO2；ThO2；UO2；低溫；低溫ZrO2（扭曲、變形）（扭曲、變形）材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)：其結(jié)構(gòu)與螢石完全相同，只是陰陽(yáng)離子的位置完其結(jié)構(gòu)與螢石完全相同，只是陰陽(yáng)離子的位置完 全互換，全互換， 即陽(yáng)離子占據(jù)的是即陽(yáng)離子占據(jù)的是F的位置，陰離子占的位置

15、，陰離子占 據(jù)的是據(jù)的是Ca2 的位置的位置配位數(shù)：配位數(shù)： CN4；CN8晶胞組成晶胞組成：陰離子陰離子 81/861/24 陽(yáng)離子陽(yáng)離子 448屬于反螢石結(jié)構(gòu)的晶體有屬于反螢石結(jié)構(gòu)的晶體有： Li2O；Na2O；K2O等等 材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論化學(xué)式：化學(xué)式： TiO2材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論（1） 四方晶系，簡(jiǎn)單四方空間點(diǎn)陣，四方晶系，簡(jiǎn)單四方空間點(diǎn)陣，a0.459nm；c0.296nm；Z2（2）晶胞中，）晶胞中，2個(gè)個(gè)Ti4+離子，離子，4個(gè)個(gè)O2-離子，離子，rTi4+/r O2- =0.45（3）配位數(shù)）配位數(shù) CN6；CN3（4）Ti4位于結(jié)點(diǎn)位置，體心的屬另一位于結(jié)點(diǎn)位置

16、，體心的屬另一 套格子。套格子。O2處在一些特殊位置上處在一些特殊位置上 質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)：質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)：Ti4 ：000；1/2 1/2 1/2； O2 : uu0; (1-u)(1-u)0; (1/2+u)(1/2-u)1/2; (1/2-u)(1/2+u)1/2 材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論每個(gè)每個(gè)O2-同時(shí)與同時(shí)與3個(gè)個(gè)Ti4+鏈合，即每鏈合，即每3個(gè)個(gè)TiO6八面體共用一個(gè)八面體共用一個(gè)O2-,而而Ti4+處在處在O2-構(gòu)成的稍有變形的八面體中心，構(gòu)成的稍有變形的八面體中心，八面體之間在（八面體之間在（001）面上共棱邊。）面上共棱邊。連接方式：連接方式：TiO八面體以共八面體以共 棱方式連接成鏈，

17、鏈與鏈之間以共棱方式連接成鏈，鏈與鏈之間以共頂方式相連頂方式相連。(5)與金紅石結(jié)構(gòu)相同的晶體有：與金紅石結(jié)構(gòu)相同的晶體有： SnO2；PbO2；MnO2；MoO2； WO2；MnF2； MgF2；VO2材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論3. AB2O4型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 7)7) 尖晶石結(jié)構(gòu)尖晶石結(jié)構(gòu) 反尖晶石結(jié)構(gòu)反尖晶石結(jié)構(gòu) 4. ABO3型化合物結(jié)構(gòu)型化合物結(jié)構(gòu) 8) 鈣鈦礦型（鈣鈦礦型（CaTiO3）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) 3.3 比較復(fù)雜氧化物的晶體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜氧化物的晶體結(jié)構(gòu)5.補(bǔ)充材料結(jié)構(gòu)補(bǔ)充材料結(jié)構(gòu)9）金剛石結(jié)構(gòu)）金剛石結(jié)構(gòu)10）石墨結(jié)構(gòu)）石墨結(jié)構(gòu)11）足球烯）足球烯12）納米碳管）納米碳管 化學(xué)式：化學(xué)

18、式： 通式通式AB2O4 ；MgAl2O4材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論（1 1） 立方晶系，立方晶系，a a0.808nm0.808nm，（2 2）晶胞中，有晶胞中，有3232個(gè)個(gè)O O2-2-,16,16個(gè)個(gè)AlAl3+3+，8 8個(gè)個(gè)MgMg2+2+（3 3）MgMg2+2+配位數(shù)為配位數(shù)為4 4，處在氧四面體中心；，處在氧四面體中心；AlAl3+3+配位數(shù)為配位數(shù)為6 6，處在氧八面體空隙，處在氧八面體空隙（4 4）具有尖晶石結(jié)構(gòu)的有：）具有尖晶石結(jié)構(gòu)的有：ZnFe2O4, CoAl2O4,NiAl2O4,FeNiFeO4ZnFe2O4, CoAl2O4,NiAl2O4,FeNiFeO4以及

19、許多其以及許多其他的鐵氧體他的鐵氧體材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論8個(gè)立方亞晶胞組成，分為甲，乙兩種類(lèi)型。個(gè)立方亞晶胞組成，分為甲，乙兩種類(lèi)型。甲型立方亞晶胞中，甲型立方亞晶胞中，Mg2+位于單元的中心和位于單元的中心和4個(gè)頂角上，個(gè)頂角上，4個(gè)個(gè)O2-分別位分別位于各條體對(duì)角線上距臨空的頂角于各條體對(duì)角線上距臨空的頂角1/4處。處。乙型立方亞晶胞中，乙型立方亞晶胞中， Mg2+處在處在4個(gè)頂角上，個(gè)頂角上，4個(gè)個(gè)O2-分別位于各條體對(duì)角分別位于各條體對(duì)角線上距線上距Mg2+頂角的頂角的1/4處，而處，而Al3+位于位于4條體對(duì)角線上距臨空頂角的條體對(duì)角線上距臨空頂角的1/4處。處。 反尖晶石結(jié)構(gòu)：

20、反尖晶石結(jié)構(gòu)： 結(jié)構(gòu)中二價(jià)陽(yáng)離子與三價(jià)陽(yáng)離子充填的空隙結(jié)構(gòu)中二價(jià)陽(yáng)離子與三價(jià)陽(yáng)離子充填的空隙 類(lèi)型相反，即形成了反尖晶石結(jié)構(gòu)類(lèi)型相反，即形成了反尖晶石結(jié)構(gòu).材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論決定結(jié)構(gòu)的因素：決定結(jié)構(gòu)的因素：正型與反型由陽(yáng)離子的八面體的擇位能來(lái)正型與反型由陽(yáng)離子的八面體的擇位能來(lái) 決定。決定。用途：用途： 廣泛應(yīng)用的是鐵氧體磁性材料，同時(shí)在陶廣泛應(yīng)用的是鐵氧體磁性材料，同時(shí)在陶 瓷顏料中也常用到。瓷顏料中也常用到。海碧海碧： CoAl2O4 合成溫度：合成溫度：1200 孔雀藍(lán)孔雀藍(lán)： （Co、Zn）0（Cr、Al）2O3 合成溫度：合成溫度：1300 鉻鋁桃紅鉻鋁桃紅： ZnO、（、（A

21、l、Cr）2O3 合成溫度：合成溫度：1200 材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的通式為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的通式為ABO3 ,以以CaTiO3為例討論其結(jié)構(gòu)為例討論其結(jié)構(gòu): Ca2+O2-Ti 4+ 材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論可以看出可以看出: Ca的的CN=12 Ti的的CN=6 O的的CN=2+4=6材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論（1） 鈣鈦礦在高溫時(shí)屬立方晶系，鈣鈦礦在高溫時(shí)屬立方晶系，在降溫時(shí)，通過(guò)某個(gè)特定在降溫時(shí)，通過(guò)某個(gè)特定溫度后將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的畸變使立方晶格的對(duì)稱(chēng)性下降溫度后將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的畸變使立方晶格的對(duì)稱(chēng)性下降.（2 ） CaTiO3為離子晶體為離子晶體（3） Ca的的C

22、N=12 Ti的的CN=6 O的的CN=2+4=6（4） CaTiO3的結(jié)構(gòu)可看成有和半徑較大的離子共同組成立方的結(jié)構(gòu)可看成有和半徑較大的離子共同組成立方緊密堆積，離子充填于緊密堆積，離子充填于1/4的八面體空隙中。的八面體空隙中。（5） 結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為：結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為： Ca2+ 000 ， 001 ，010 ， 100 ，110 ，011 ，101 ， 111 O2- 0 1/2 1/2 ， 1/2 0 1/2 ， 1/2 1/2 0 ，1 1/2 1/2 ，1/2 1 1/2 ，1/2 1/2 1 Ti 4+ 1/2 1/2 1/2（6） 立方面心格子立方面心格子 （7）BaTiO3 ， SrT

23、iO3 材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論n化學(xué)式化學(xué)式C C；晶體結(jié)構(gòu)為；晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系立方晶系，面心立方空間點(diǎn)陣，面心立方空間點(diǎn)陣，a a0 00.356nm0.356nm；碳原子位于立方面心的所有結(jié)點(diǎn)位置和交替；碳原子位于立方面心的所有結(jié)點(diǎn)位置和交替分布在立方體內(nèi)四個(gè)小立方體中心；每個(gè)晶胞中原子數(shù)分布在立方體內(nèi)四個(gè)小立方體中心；每個(gè)晶胞中原子數(shù)Z Z8 8，每個(gè)碳原子周?chē)加?，每個(gè)碳原子周?chē)加? 4個(gè)碳，形成個(gè)碳，形成共價(jià)鍵共價(jià)鍵。n與其結(jié)構(gòu)相同的有與其結(jié)構(gòu)相同的有硅、鍺、灰錫、合成立方氮化硼等硅、鍺、灰錫、合成立方氮化硼等n性質(zhì)：性質(zhì)： 硬度最大、具半導(dǎo)體性能、極好的導(dǎo)熱性硬度最大、具半導(dǎo)

24、體性能、極好的導(dǎo)熱性n石墨（石墨（C），六方晶系，），六方晶系，a0=0.146nm，c0=0.670nm 。n結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為碳原子呈層狀碳原子呈層狀排列排列。層內(nèi)碳原子呈六方。層內(nèi)碳原子呈六方環(huán)狀排列，每個(gè)碳原子與環(huán)狀排列，每個(gè)碳原子與三個(gè)相鄰碳原子之間的距三個(gè)相鄰碳原子之間的距離均為離均為0.142nm0.142nm；層間距離；層間距離為為0.335nm0.335nm。層內(nèi)為共價(jià)鍵，層內(nèi)為共價(jià)鍵，層間為分子鍵相連層間為分子鍵相連。n性質(zhì)：性質(zhì)：碳原子有一個(gè)電子可以在層內(nèi)移動(dòng)，類(lèi)碳原子有一個(gè)電子可以在層內(nèi)移動(dòng)，類(lèi)似于金屬中的自由電子，平行層的方向具似于金屬中的自由電子，平行層的方向具良

25、好導(dǎo)良好導(dǎo)電性電性；硬度低硬度低，易加工；，易加工；熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高；有潤(rùn)滑感有潤(rùn)滑感。n石墨與金剛石的石墨與金剛石的化學(xué)組成相同，結(jié)構(gòu)不同化學(xué)組成相同，結(jié)構(gòu)不同，這，這種現(xiàn)象稱(chēng)為種現(xiàn)象稱(chēng)為同質(zhì)多晶現(xiàn)象同質(zhì)多晶現(xiàn)象，石墨和金剛石是碳的，石墨和金剛石是碳的兩種兩種同質(zhì)多象變體同質(zhì)多象變體。n人工合成的人工合成的六方氮化六方氮化硼硼與石墨結(jié)構(gòu)相同。與石墨結(jié)構(gòu)相同。(1)(1)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)：19851985年，科學(xué)家用激光束照射石墨得灰色氣體，用年，科學(xué)家用激光束照射石墨得灰色氣體，用有機(jī)溶劑萃取得有機(jī)溶劑萃取得n n200200的大量簇分子，含的大量簇分子，含6060個(gè)碳的分子比較多。個(gè)碳的分子比較多。(

26、 (2)2)合成合成：將幾十伏的電流電壓加在兩根碳棒上，當(dāng)兩根碳棒將幾十伏的電流電壓加在兩根碳棒上，當(dāng)兩根碳棒距離很小時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電弧放電導(dǎo)致短路，產(chǎn)生的碳煙中含距離很小時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電弧放電導(dǎo)致短路，產(chǎn)生的碳煙中含有大量的有大量的C C6060, ,再用有機(jī)溶劑萃取碳煙。再用有機(jī)溶劑萃取碳煙。材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論足球烯足球烯(3)(3)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：籠狀分子，固態(tài)時(shí)是分子晶體，每個(gè)碳原子只跟籠狀分子，固態(tài)時(shí)是分子晶體，每個(gè)碳原子只跟相鄰的三個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，相鄰的三個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，6060個(gè)碳原子構(gòu)成球形，共個(gè)碳原子構(gòu)成球形，共3232面體，包括面體，包括1212個(gè)五邊形，個(gè)五邊形，20

27、20個(gè)六邊形。個(gè)六邊形。(4)(4)性質(zhì)性質(zhì)：C C6060 摻雜鉀、銣等有超導(dǎo)性，超導(dǎo)起始溫度達(dá)到摻雜鉀、銣等有超導(dǎo)性，超導(dǎo)起始溫度達(dá)到 18 K18 K。北大和科學(xué)院合作制得北大和科學(xué)院合作制得 RbRb3 3C C6060，超導(dǎo)起始溫度高達(dá)，超導(dǎo)起始溫度高達(dá) 28 K28 K，領(lǐng)先于，領(lǐng)先于世界先進(jìn)水平。世界先進(jìn)水平。(5)(5)成果成果：最大的足球烯單晶的直徑僅為最大的足球烯單晶的直徑僅為 6mm6mm，浙江大學(xué)的科學(xué)，浙江大學(xué)的科學(xué)家制取直徑為家制取直徑為1.31.3 的高品質(zhì)單晶，走在世界前列。的高品質(zhì)單晶，走在世界前列。 19961996年的諾貝爾授予羅伯特、克羅特和斯莫利等三位

28、科學(xué)家，年的諾貝爾授予羅伯特、克羅特和斯莫利等三位科學(xué)家，表彰他們有關(guān)富勒烯的發(fā)現(xiàn)、制備和性質(zhì)研究。表彰他們有關(guān)富勒烯的發(fā)現(xiàn)、制備和性質(zhì)研究。材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論(1)(1)、發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)：知道了知道了 C C60 60 的制備以后，人們的注意力全部集中在的制備以后，人們的注意力全部集中在觀察碳灰上，而日本科學(xué)家飯島澄男卻仔細(xì)觀察了放電后在陽(yáng)觀察碳灰上，而日本科學(xué)家飯島澄男卻仔細(xì)觀察了放電后在陽(yáng)極上產(chǎn)生的沉淀物，是他意外發(fā)現(xiàn)了納米碳管。極上產(chǎn)生的沉淀物，是他意外發(fā)現(xiàn)了納米碳管。材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論納米碳管納米碳管(2)、什么是納米碳管？、什么是納米碳管？石墨有層狀結(jié)構(gòu)，可以看作是由原子紙一

29、層一層堆疊而成。若將一層或石墨有層狀結(jié)構(gòu)，可以看作是由原子紙一層一層堆疊而成。若將一層或幾層這樣的原子紙卷成圓筒形狀，就是納米碳管。中科院解思深教授制幾層這樣的原子紙卷成圓筒形狀，就是納米碳管。中科院解思深教授制得得 0.5nm 碳管，麻省理工學(xué)院秦祿昌博士制得最小的鈉米碳管碳管，麻省理工學(xué)院秦祿昌博士制得最小的鈉米碳管0.4nm。3)3)、應(yīng)用前景廣泛、應(yīng)用前景廣泛乘座乘座電梯電梯上太空上太空3.4 硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論一、硅酸鹽的特點(diǎn)硅酸鹽的特點(diǎn)1. 含有硅，氧原子（離子）并以不同方式配置在一起的許多陶瓷材含有硅，氧原子（離子）并以不同方式配置在一起的許

30、多陶瓷材料為硅酸鹽結(jié)構(gòu)，由三部分組成，一部分是由硅和氧按不同比例組料為硅酸鹽結(jié)構(gòu)，由三部分組成，一部分是由硅和氧按不同比例組成的各種負(fù)離子團(tuán)，稱(chēng)為硅氧骨干，是硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元，另成的各種負(fù)離子團(tuán)，稱(chēng)為硅氧骨干，是硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元，另外兩部分為硅氧骨干以外的正離子和負(fù)離子。外兩部分為硅氧骨干以外的正離子和負(fù)離子。2.硅酸鹽的成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多種多樣。硅酸鹽晶體是構(gòu)成地殼硅酸鹽的成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多種多樣。硅酸鹽晶體是構(gòu)成地殼的主要礦物。的主要礦物。硅酸根（硅酸根（SiO44-）四面體特征）四面體特征：1）4個(gè)氧原子圍繞位于中心的硅原子，個(gè)氧原子圍繞位于中心的硅原子，每個(gè)氧原子有每個(gè)氧原

31、子有1個(gè)電子可以和其他個(gè)電子可以和其他離子鍵合。離子鍵合。2）Si-O之間平均距離為之間平均距離為0.16nm，小，小于于Si-O半徑之和。一般視離子鍵和半徑之和。一般視離子鍵和共價(jià)鍵各為共價(jià)鍵各為50%。3）每個(gè)）每個(gè)O2-最多只能為兩個(gè)最多只能為兩個(gè)SiO44-四四面體所共有。面體所共有。4）可獨(dú)立存在，或通過(guò)共用四面體頂）可獨(dú)立存在，或通過(guò)共用四面體頂點(diǎn)彼此連接成單鏈，雙鏈或?qū)訝睿c(diǎn)彼此連接成單鏈，雙鏈或?qū)訝?，網(wǎng)狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不能共棱和共面。網(wǎng)狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不能共棱和共面。5）SiO44-四面體中的四面體中的Si-O-Si結(jié)合鍵結(jié)合鍵通常不是一條直線，而是成鍵角為通常不是一條直線，而是成

32、鍵角為145的直線。的直線。O-O-O-O-Si二、硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論硅酸根（硅酸根（SiO44-)四面體四面體硅酸根（硅酸根（Si2O6-)雙四面體雙四面體材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論材料科學(xué)導(dǎo)論三、三、島狀結(jié)構(gòu)單元島狀結(jié)構(gòu)單元：硅酸根（硅酸根（SiO44-)四面體通過(guò)與其他正離子連接在一起，四面體通過(guò)與其他正離子連接在一起，就形成了島狀或孤立狀的硅酸鹽結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)原硅酸鹽。橄欖石族的一系列就形成了島狀或孤立狀的硅酸鹽結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)原硅酸鹽。橄欖石族的一系列化合物屬于此類(lèi)?；衔飳儆诖祟?lèi)。Mg2SiO4鎂橄欖石是典型的代表。鎂橄欖石是典型的代表。四、四、雙四面體結(jié)構(gòu)單元：雙四面體結(jié)構(gòu)單元：硅酸根（硅酸根（SiO44-)四面體通過(guò)共用一四面體通過(guò)共用一個(gè)或更多的個(gè)或更多的O2-離子連接在一起時(shí)，可能的聯(lián)結(jié)方式很多，最離子連接在一起時(shí)，可